JP6984801B1 - 半導体レーザ光源装置 - Google Patents
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Abstract
第１から第３のリードピン（２ｂ〜２ｅ）が金属ステム（１）を貫通する。支持ブロック（４）が金属ステム（１）の上に設けられている。温度制御モジュール（５）は、支持ブロック（４）の側面に実装され、下側基板（５ｂ）と、上側基板（５ｃ）と、上側基板（５ｃ）と下側基板（５ｂ）に挟まれた複数の熱電素子（５ａ）とを有する。誘電体基板（６）の裏面が温度制御モジュール（５）の上側基板（５ｃ）に接合されている。２本の差動駆動用信号線路（７ａ，７ｂ）が誘電体基板（６）の主面に設けられている。半導体光変調素子（１０）と温度センサ（１１）が誘電体基板（６）の主面に実装されている。第１の導電性ワイヤ（１４ｂ，１４ｃ）は差動駆動用信号線路（７ａ，７ｂ）の一端と半導体光変調素子（１０）を接続する。第２の導電性ワイヤ（１４ｄ，１４ｅ）は差動駆動用信号線路（７ａ，７ｂ）の他端と第１のリードピン（２ｂ，２ｃ）を接続する。第３の導電性ワイヤ（１４ｆ，１４ｇ）は温度センサ（１１）と第２のリードピン（２ｄ）を接続する。第４の導電性ワイヤ（１４ｊ，１４ｋ）は温度制御モジュール（５）と第３のリードピン（２ｅ）を接続する。
Description
本開示は、温度制御モジュールにより半導体光変調素子の温度制御を行う半導体レーザ光源装置に関する。
ＳＮＳ、動画共有サービス等の普及が世界的規模で進んでおり、データ伝送の大容量化が加速している。限られた実装スペースで信号の高速大容量伝送化に対応するために、光トランシーバーは高速化の小型化が進んでいる。光デバイスには、高速化と低コスト化に加えて、ランニングコストを抑えるために低消費電力化が求められている。
半導体光変調素子を搭載したレーザ光源装置の構造として、安価に製品化できるＴＯ−ＣＡＮ（Transistor-Outlined CAN）型が一般的に適用される。ＴＯ−ＣＡＮの構造では一般的にリードピンを金属ステムにガラスを用いて封着固定している。それぞれの熱膨張係数差による圧力を利用しているため、高い気密性を確保するためにはリードピンの配置とリードピン同士の間隔が重要となる。
半導体光変調素子は発熱することによって発振波長又は光出力が変化する。従って、半導体光変調素子を搭載したレーザ光源装置には、半導体光変調素子の温度を一定に保つために温度制御モジュールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
従来構造では、半導体光変調素子が実装された第１の誘電体基板の高周波線路と、リードピンに接合された第２の誘電体基板の高周波線路を導電性ワイヤで接合していた。第２の誘電体基板が存在することでコストが増加し、第１の誘電体基板への実装自由度が低下していた。また、リードピンから半導体光変調素子までの距離が長くなり、インピーダンス不整合又はインダクタンス成分増加によって高周波特性が劣化していた。また、温度制御モジュールから半導体光変調素子までの距離が遠く、熱拡散性が悪いため、消費電力が高くなっていた。また、半導体光変調素子への電気信号入力方式が単層駆動方式であるため、消費電力が高くなっていた。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はコストと消費電力を低減し、誘電体基板への実装自由度と高周波特性を向上させることができる半導体レーザ光源装置を得るものである。
本開示に係る半導体レーザ光源装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通する第１から第３のリードピンと、前記金属ステムの上に設けられた支持ブロックと、前記支持ブロックの側面に実装され、下側基板と、上側基板と、前記上側基板と前記下側基板に挟まれた複数の熱電素子とを有する温度制御モジュールと、前記温度制御モジュールの前記上側基板に裏面が接合された誘電体基板と、前記誘電体基板の主面に設けられた差動駆動用信号線路と、前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、前記誘電体基板の前記主面に実装された温度センサと、前記差動駆動用信号線路の一端と前記半導体光変調素子を接続する第１の導電性ワイヤと、前記差動駆動用信号線路の他端と前記第１のリードピンを接続する第２の導電性ワイヤと、前記温度センサと前記第２のリードピンを接続する第３の導電性ワイヤと、前記温度制御モジュールと前記第３のリードピンを接続する第４の導電性ワイヤとを備え、前記第１及び第２のリードピンは前記誘電体基板の主面側に配置され、前記第３のリードピンは前記誘電体基板の裏面側に配置され、前記下側基板は、前記上側基板よりも上方に突出した突出部を有し、前記熱電素子に電力供給するためのメタライズが前記突出部に設けられ、温度制御モジュール用導体が前記誘電体基板の前記主面から上側側面にかけて設けられ、前記第４の導電性ワイヤは、前記誘電体基板の前記上側側面に設けられた前記温度制御モジュール用導体と前記第３のリードピンを接続する導電性ワイヤと、前記誘電体基板の前記主面に設けられた前記温度制御モジュール用導体と前記メタライズを接続する導電性ワイヤとを有することを特徴とする。
本開示に係る他の半導体レーザ光源装置は、金属ステムと、前記金属ステムを貫通する第１から第３のリードピンと、前記金属ステムの上に設けられた支持ブロックと、前記支持ブロックの側面に実装され、下側基板と、上側基板と、前記上側基板と前記下側基板に挟まれた複数の熱電素子とを有する温度制御モジュールと、前記温度制御モジュールの前記上側基板に裏面が接合された誘電体基板と、前記誘電体基板の主面に設けられた２本の差動駆動用信号線路と、前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、前記誘電体基板の前記主面に実装された温度センサと、前記差動駆動用信号線路の一端と前記半導体光変調素子を接続する第１の導電性ワイヤと、前記差動駆動用信号線路の他端と前記第１のリードピンを接続する第２の導電性ワイヤと、前記温度センサと前記第２のリードピンを接続する第３の導電性ワイヤと、前記温度制御モジュールと前記第３のリードピンを接続する第４の導電性ワイヤと、前記誘電体基板に設けられ、前記金属ステムに導電性ワイヤで直接的に接続されたグランド導体とを備え、前記グランド導体は前記誘電体基板の主面と裏面に設けられ、それぞれ導電性ワイヤで前記金属ステムに接続されていることを特徴とする。
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本開示では、金属ステムの上に設けられた支持ブロックの側面に温度制御モジュールが実装され、半導体光変調素子が実装された誘電体基板が温度制御モジュールに接合されている。これにより、第２の誘電体基板が不要なため、コストを低減できる。また、誘電体基板を大きくできるため、誘電体基板への実装自由度が向上する。また、誘電体基板の主面に設けられた信号線路をリードピンに短い導電性ワイヤで接続できるため、高周波特性が向上する。また、温度制御モジュールから半導体光変調素子までの距離が近いため、熱拡散性が向上し、温度制御モジュールでの吸熱・放熱性が向上して消費電力を低減することができる。また、半導体光変調素子への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、従来の単層駆動方式よりも信号発生器の電圧振幅を低減でき、信号発生器の消費電力を低減することができる。
実施の形態に係る半導体レーザ光源装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す正面斜視図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す正面斜視図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す上面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す側面図である。図４は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源装置を示す背面斜視図である。
金属ステム１は概ね円形の板状であり、例えばＣｕなどの熱伝導率の高い材料の表面にＡｕメッキなどが施された金属材料のステムベースである。複数のリードピン２ａ〜２ｆが金属ステム１を貫通する。金属ステム１にリードピン２ａ〜２ｆを固定するために一般的にガラス３が用いられる。インピーダンス不整合になると信号の多重反射によって周波数応答特性が劣化し、高速変調が困難となる。従って、ガラス３は信号発生器と同じインピーダンスとなるように低誘電率の材質からなる。
支持ブロック４が金属ステム１の上に設けられている。支持ブロック４は、例えばＣｕなどの熱伝導率の高い材料の表面にＡｕメッキなどが施された金属材料のブロックである。金属ステム１とは別部品の支持ブロック４を金属ステム１に実装してもよいし、金属ステム１と支持ブロック４を一体形成してもよい。
温度制御モジュール５が支持ブロック４の側面に実装されている。温度制御モジュール５は、例えばＢｉＴｅなどの材料からなる複数の熱電素子５ａを、ＡｌＮなどの材料からなる下側基板５ｂと上側基板５ｃで挟んだものである。例えばＳｎＡｇＣｕハンダ又はＡｕＳｎハンダなどの接合材により支持ブロック４の側面と温度制御モジュール５の下側基板５ｂが接合されている。下側基板５ｂは上側基板５ｃよりも上方に突出した突出部を有し、この突出部に、熱電素子５ａに電力供給するためのメタライズ５ｄが設けられている。
誘電体基板６は四角形の板状に形成され、例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）などのセラミック材料からなり、電気絶縁機能と熱伝達機能を有する。誘電体基板６は、互いに反対側の主面及び裏面と、４つの側面とを有する。誘電体基板６の４つの側面のうち下部側面が金属ステム１の上面に対向し、上部側面は下部側面の反対側である。誘電体基板６の裏面が温度制御モジュール５の上側基板５ｃに接合されている。２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂ、グランド導体８、及び温度制御モジュール用導体９がＡｕメッキ及びメタライズにより誘電体基板６の主面に設けられている。差動駆動用信号線路７ａ，７ｂはマイクロストリップ線路又はコプレナ線路であり、信号発生器の出力インピーダンスと同等のインピーダンスを有する。温度制御モジュール用導体９は誘電体基板６の主面から上側側面にかけて設けられている。
半導体光変調素子１０、温度センサ１１、及びセラミックブロック１２が誘電体基板６の主面に実装されている。誘電体基板６に温度センサ１１及びセラミックブロック１２を接合するための接合材として、例えばＳｎＡｇＣｕハンダやＡｕＳｎハンダなどが用いられる。半導体光変調素子１０の変調器部は複数の電界吸収型光変調器で構成されている。温度センサ１１は例えばサーミスタである。セラミックブロック１２は例えばＡｌＮ基板であり、上面に導体膜が設けられている。受光素子１３が金属ステム１又はサブマウントの上に実装されている。ここでは、受光素子１３は、半導体光変調素子１０のＺ軸負方向側に配置されている。
導電性ワイヤ１４ａが半導体光変調素子１０の分布帰還型レーザダイオードとリードピン２ａを接続する。導電性ワイヤ１４ｂ，１４ｃがそれぞれ２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂの一端と半導体光変調素子１０のＥＡＭ（electro-absorption modulator）電極を接続する。導電性ワイヤ１４ｄ，１４ｅがそれぞれ２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂの他端とリードピン２ｂ，２ｃを接続する。導電性ワイヤ１４ｆが温度センサ１１とセラミックブロック１２の導体膜を接続する。導電性ワイヤ１４ｇがセラミックブロック１２の導体膜とリードピン２ｄを接続する。導電性ワイヤ１４ｈ，１４ｉがグランド導体８と金属ステム１を接続する。導電性ワイヤ１４ｊが誘電体基板６の主面に設けられた温度制御モジュール用導体９と温度制御モジュール５のメタライズ５ｄを接続する。導電性ワイヤ１４ｋが誘電体基板６の上部側面に設けられた温度制御モジュール用導体９とリードピン２ｅを接続する。導電性ワイヤ１４ｌが受光素子１３とリードピン２ｆを接続する。
半導体光変調素子１０は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸吸収層を用いた電界吸収型光変調器と分布帰還型レーザダイオードとをモノリシックに集積した変調器集積型レーザダイオード（ＥＡＭ−ＬＤ）である。半導体光変調素子１０の発光点から、チップ端面に対して垂直かつチップ主面に対して平行な光軸に沿ってレーザ光が放射される。分布帰還型レーザダイオードへの給電方法はリードピン２ａから導電性ワイヤ１４ａを介して直接接続してもよいし、製造方法によっては誘電体基板６に設けた導体を中継して接続してもよい。
リードピン２ｂ，２ｃに入力された差動電気信号は、導電性ワイヤ１４ｄ，１４ｅを介して差動駆動用信号線路７ａ，７ｂに伝達され、導電性ワイヤ１４ｂ，１４ｃを介して半導体光変調素子１０の変調器に印加される。ここでリードピン２ｂ，２ｃに入力された電気信号は金属ステム１と電磁的に結合する。金属ステム１、支持ブロック４、及び温度制御モジュール５に接合された誘電体基板６のグランド導体８はＡＣグランドとして作用する。
半導体光変調素子１０の温度が変化すると発振波長が変化するため、温度を一定に保つ必要がある。そこで、半導体光変調素子１０の温度が上昇した場合は温度制御モジュール５が冷却を行い、逆に温度が低下した場合は温度制御モジュール５が発熱し、半導体光変調素子１０の温度を一定にする。半導体光変調素子１０において発生した熱は誘電体基板６を介して温度制御モジュール５の上側基板５ｃに伝わる。温度制御モジュール５は、半導体光変調素子１０から受けた熱を吸熱する。温度制御モジュール５が吸熱した熱は、温度制御モジュール５の下側基板５ｂから支持ブロック４及び金属ステム１を介してＺ軸負方向に伝搬され、金属ステム１の下面側の冷却部材（不図示）に放熱される。
温度センサ１１は半導体光変調素子１０の温度を間接的に測定する。測定した温度を温度制御モジュール５にフィードバックして、半導体光変調素子１０の温度が狙い値に対して高い場合は温度制御モジュール５が冷却を行い、逆に低い場合は発熱を行う。これにより、半導体光変調素子１０の温度を安定化することができる。
温度センサ１１とリードピン２ｄを直接ワイヤ接続すると、外界から金属ステム１に伝わってきた雰囲気温度がワイヤを通って温度センサ１１に流入し、正確な温度を測定できない。そこで、温度センサ１１とリードピン２ｄの間にセラミックブロック１２を配置して中継する。これにより、温度センサ１１に流入する熱量が低減され、温度センサ１１が正確な温度を測定することができる。また、温度センサ１１と半導体光変調素子１０が同じ誘電体基板６の主面に実装されているため、温度相関が合いやすく、温度制御が容易である。
受光素子１３は光信号を電気信号へ変換（Ｏ／Ｅ変換）する。電気信号は接続された導電性ワイヤ１４ｌを介してリードピン２ｆへと伝送される。受光素子１３を設けることで、金属ステム１を貫通するリードピンの数が１本増えることになるが、半導体光変調素子１０の背面光の強度をモニターすることができる。このモニター結果をフィードバックすることで、光出力が一定になるように半導体光変調素子１０の駆動電流を制御することができる。
予め半導体光変調素子１０、温度センサ１１及びセラミックブロック１２を誘電体基板６上に接合して半完成品として組立てておき、この半完成品を温度制御モジュール５に接合してもよい。これにより、温度制御モジュール５と誘電体基板６の接合材として、必ずしもＳｎＡｇＣｕハンダ又はＡｕＳｎハンダのような高融点の材質を用いる必要はなく、熱硬化樹脂又は紫外線硬化樹脂等を用いることができる。この結果、製造難易度が低下する。
図５は、従来構造と本実施の形態の構造の温度制御モジュールの消費電力を比較したグラフである。半導体光変調素子１０の発熱量を０．２Ｗに固定し、環境温度を−４０℃から９５℃に変化させた。本実施形態の構造の方が０．２Ｗ程度の低消費電力化となっていることが分かる。
以上説明したように、実施の形態では、金属ステム１の上に設けられた支持ブロック４の側面に温度制御モジュール５が実装され、半導体光変調素子１０が実装された誘電体基板６が温度制御モジュール５に接合されている。これにより、第２の誘電体基板が不要なため、コストを低減できる。また、誘電体基板６を大きくできるため、誘電体基板６への実装自由度が向上する。また、誘電体基板６の主面に設けられた信号線路をリードピンに短い導電性ワイヤで接続できるため、高周波特性が向上する。また、温度制御モジュール５から半導体光変調素子１０までの距離が近いため、熱拡散性が向上し、温度制御モジュール５での吸熱・放熱性が向上して消費電力を低減することができる。また、半導体光変調素子１０への電気信号入力方式が差動駆動方式であるため、従来の単層駆動方式よりも信号発生器の電圧振幅を低減でき、信号発生器の消費電力を低減することができる。
従来構造は第２の誘電体基板を介していたため、接続点におけるインピーダンス不整合により信号の反射が発生し、帯域の利得が低下していたが、本実施の形態では第２の誘電体基板が不要であるため信号の反射点が存在せず、従来構造よりも広帯域化が可能になる。
温度制御モジュール５と誘電体基板６の間に金属ブロックなどの２次媒体は存在せず、両者を直接接合している。このため、半導体光変調素子１０と温度制御モジュール５との距離は誘電体基板６の厚み分のみである。従って、温度制御モジュール５から半導体光変調素子１０までの熱的距離が近いため、放熱性が向上し、消費電力を低減することができる。また、温度制御モジュール５と誘電体基板６を直接接合しているため、製造工程、時間、部材点数の削減によりコストを低減することができる。
また、誘電体基板６上の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂとリードピン２ｂ，２ｃは、他の誘電体基板を介することなく、導電性ワイヤ１４ｄ，１４ｅのみによって直接的に接続される。このため、信号反射点が少なくなり高周波特性が向上する。
リードピン２ａ〜２ｆを金属ステム１にガラス３で封着固定させるために一般的にコンプレッション方式又はマッチング方式が適用される。気密性を保つためには封着の際に各リードピン２ａ〜２ｆが等圧力になっていることが重要である。従って、リードピン２ａ〜２ｆが金属ステム１に対して円形状に配置されていることが望ましい。また、隣り合うリードピン２ａ〜２ｆの間隔が近接しすぎていると封着性が劣化するため、ある程度の距離が必要である。
温度制御モジュールを金属ステム１に平置き接合した従来構造では、金属ステム１上の面積を占有し、リードピン２ａ〜２ｆを均等に配置することができず、気密性が取れなかった。本実施の形態では温度制御モジュール５を支持ブロック４の側面に接合しているため、金属ステム１上の占有面積を縮小できる。
また、リードピン２ａ〜２ｄは誘電体基板６の主面側に配置されているが、温度制御モジュール５に給電するための２本のリードピン２ｅは誘電体基板６の裏面側に配置されている。このため、各リードピン２ａ〜２ｆを金属ステム１に対して円形状に均等に配置することができる。この結果、気密性が向上する。また、導電性ワイヤ１４ｊが温度制御モジュール５のメタライズ５ｄと温度制御モジュール用導体９を接続し、導電性ワイヤ１４ｋが温度制御モジュール用導体９とリードピン２ｅを接続する。これにより、リードピン２ｅからメタライズ５ｄまでのＸＹ平面上の距離が短くなる。このため、導電性ワイヤ１４ｊ，１４ｋにかかるモーメント荷重の影響が小さくなり、導電性ワイヤ１４ｊ，１４ｋのたわみ・振動・衝撃の耐性が向上する。
もし、差動駆動用信号線路７ａ，７ｂと接続されているリードピン２ｂ，２ｃ以外の、誘電体基板６の主面側に配置されているリードピンとメタライズ５ｄをワイヤ接続すると、そのリードピンからメタライズ５ｄまでのＸＹ平面上の距離が長くなる。従って、モーメント荷重の影響で導電性ワイヤにたわみが発生して導電性ワイヤが誘電体基板６へ接触するという問題がある。また、輸送時等の振動・衝撃の影響で導電性ワイヤがリードピンから脱落するという問題もある。また、誘電体基板６の主面側に配置されているリードピンから温度制御モジュール５のメタライズ５ｄへ直接的に導電性ワイヤを接続することは困難である。そこで、本実施の形態では、誘電体基板６の主面から上側側面にかけて温度制御モジュール用導体９を設けている。導電性ワイヤ１４ｊが温度制御モジュール５のメタライズ５ｄと温度制御モジュール用導体９を接続し、導電性ワイヤ１４ｋが温度制御モジュール用導体９と誘電体基板６の裏面に配置されたリードピン２ｅを接続する。これにより、ワイヤボンディング装置の複雑な機構を用いることなく、温度制御モジュール５に電気を供給することができる。
外界の温度変化に伴う部材の熱応力変化によって半導体光変調素子１０の出射位置・角度がずれる。これにより、レーザ光源装置が光ファイバにレーザ光を集光する際に光結合効率が低下する。そこで、熱応力変化の影響を受けにくい構造にすることが重要である。本実施の形態では、誘電体基板６のＸ軸及びＺ軸方向の外径は温度制御モジュール５の上側基板５ｃのＸ軸及びＺ軸方向の外径よりも大きい。これにより、構造の剛性が向上し、半導体光変調素子１０への応力を低減でき、半導体光変調素子１０の割れ等を抑制することができる。また、誘電体基板６が温度制御モジュール５のたわみ量の影響を抑制することができる。この結果、上側基板５ｃの外径よりも誘電体基板６の外径の方が小さい場合に比べて、Ｙ軸正方向への出射位置・角度ずれが減少する。なお、温度制御モジュール５の上側基板５ｃの外径を誘電体基板６の外径よりも大きくしてもよい。これにより、熱拡散性が向上し、温度制御モジュール５での吸熱・放熱性が向上して消費電力を低減することができる。
従来構造では、半導体光変調素子のグランドは第１の誘電体基板から導電性ワイヤにて第２の誘電体基板に渡り、かつ第２の誘電体基板を支持している金属ブロックを介して金属ステムに接続されていた。このため、距離が遠くてＧＮＤが弱くなり高周波特性が劣化していた。これに対して、本実施の形態では、誘電体基板６のグランド導体８を第２の誘電体基板を介することなく、導電性ワイヤ１４ｈ，１４ｉのみにより金属ステム１に直接的に接続する。これにより、ＧＮＤが強くなり高周波特性が向上する。
グランド導体８は、差動駆動用信号線路７ａ，７ｂ及び温度制御モジュール用導体９とは接触しない領域において誘電体基板６の主面から裏面にかけて設けられている。半導体光変調素子１０及び温度センサ１１等の共通したグランドを取るために、導電性ワイヤ１４ｈが誘電体基板６の主面のグランド導体８と金属ステム１を接続している。ただし、これだけでは等電位にすることが難しく、周波数応答特性の広帯域化が難しいことが高周波シミュレーションから分かっている。そこで、導電性ワイヤ１４ｉが誘電体基板６の裏面のグランド導体８と金属ステム１を接続する。これにより、周波数応答特性が改善する。この導電性ワイヤ１４ｈ，１４ｉは１本では改善効果が薄いため、２本以上が望ましい。
なお、誘電体基板６が金属ステム１に接触していると、金属ステム１に伝わってきた外界からの熱が誘電体基板６を介して半導体光変調素子１０及び温度センサ１１に流入する。これにより、温度制御モジュール５による温度制御が困難になる。このため、誘電体基板６を金属ステム１と接触させないことが望ましい。
また、差動駆動用信号線路７ａ，７ｂと接続されるリードピン２ｂ，２ｃは、金属ステム１の上面からの飛び出したインナーリード部を有する。インナーリード部の長さを短くするほどインダクタンス成分が低減し、インナーリード部における信号の反射による損失を低減でき、通過帯域が向上する。
また、信号発生器からの最大電圧振幅を得るために、誘電体基板６の主面に整合抵抗を設けて半導体光変調素子１０に並列接続してもよい。
実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置を示す正面斜視図である。半導体光変調素子１０の代わりに、ＭＺＭ（Mach Zehnder Module）型の半導体光変調素子１５が誘電体基板６の主面に実装されている。半導体光変調素子１５は、例えば分布帰還型レーザダイオード、２つの位相変調器部１６ａ，１６ｂ、偏波回転器部１７及び受光素子１３をモノリシックに集積したレーザダイオードである。位相変調器部１６ａ，１６ｂはマッハツェンダ型光変調器である。
図６は、実施の形態２に係る半導体レーザ光源装置を示す正面斜視図である。半導体光変調素子１０の代わりに、ＭＺＭ（Mach Zehnder Module）型の半導体光変調素子１５が誘電体基板６の主面に実装されている。半導体光変調素子１５は、例えば分布帰還型レーザダイオード、２つの位相変調器部１６ａ，１６ｂ、偏波回転器部１７及び受光素子１３をモノリシックに集積したレーザダイオードである。位相変調器部１６ａ，１６ｂはマッハツェンダ型光変調器である。
実施の形態１と同様に差動駆動用信号線路７ａ，７ｂ等が誘電体基板６の主面に設けられ、更に偏波回転器用導体１８及び受光素子用導体１９がＡｕメッキ及びメタライズにより誘電体基板６の主面に設けられている。導電性ワイヤ１４ｂ，１４ｃが２本の差動駆動用信号線路７ａ，７ｂの一端と半導体光変調素子１５の位相変調器部１６ａ，１６ｂを接続する。導電性ワイヤ１４ｍが半導体光変調素子１５の偏波回転器部１７と偏波回転器用導体１８を接続する。導電性ワイヤ１４ｎが偏波回転器用導体１８とリードピン２ｇを接続する。導電性ワイヤ１４ｏが半導体光変調素子１５の受光素子１３と受光素子用導体１９を接続する。導電性ワイヤ１４ｐが受光素子用導体１９とリードピン２ｆを接続する。
半導体光変調素子１５は２つの位相変調器部１６ａ，１６ｂと１つの偏波回転器部１７を有するため、本来ならばリードピンを実施の形態１よりも１本多く設ける必要がある。しかし、実施の形態１の構造にリードピンを１本追加して円形状に配置するとリードピン間隔が狭くなり過ぎ、気密性を確保できず量産性を担保できない場合がある。
そこで、本実施の形態では、リードピン２ａを金属ステム１の中央部に配置している。中央部は圧力が均等にかかりやすいため、実施の形態１と同等の気密性を保つことができる。なお、温度制御モジュールを金属ステム中央部に平置き接合した従来の構造では、リードピンを金属ステム中央部に配置することができず、気密性が悪化する。
ＭＺＭ型の半導体光変調素子１５の縦横の外径は数ｍｍあり、実施の形態１の電界吸収型光変調器の外径の数倍である。よって、ステム上に第２の誘電体基板が存在する従来構造ではＭＺＭ型の半導体光変調素子１５の実装は困難であった。ＭＺＭ型の半導体光変調素子を実装するには光出射方向に数ｍｍ拡大する必要があり、レーザ光源装置の外径が拡大する。これに伴って温度制御モジュール５から半導体光変調素子１０までの距離が遠くなり、温度制御モジュール５による吸熱・放熱性が悪化し、温度制御モジュール５の高性能化が必要となる。また、リードピンから半導体光変調素子までの距離も遠くなるため、高周波線路の延長により高周波特性が悪化する。
これに対して、本実施の形態では、従来よりも誘電体基板６への実装自由度が向上したため、レーザ光源装置の外径を大きくすることなく、誘電体基板６の主面にＭＺＭ型の半導体光変調素子１５を実装することができる。温度制御モジュール５から半導体光変調素子１５までの距離が誘電体基板６の厚み分であり非常に近いため、吸熱・放熱性は実施の形態１と同様に良好であり、温度制御モジュール５の高性能化は不要である。また、高周波線路の延長も不要であり、高周波特性は悪化しない。
なお、受光素子１３は、一般的にＭＺＭ型の半導体光変調素子１５に集積されているが、実施の形態１と同様に別途実装してもよい。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を示す正面斜視図である。レンズ２０、光学素子２１及びブロック２２が誘電体基板６の主面に実装されている。受光素子１３がブロック２２の側面に実装されている。半導体光変調素子１０の代わりに半導体光変調素子２３が誘電体基板６の主面に実装されている。
図７は、実施の形態３に係る半導体レーザ光源装置を示す正面斜視図である。レンズ２０、光学素子２１及びブロック２２が誘電体基板６の主面に実装されている。受光素子１３がブロック２２の側面に実装されている。半導体光変調素子１０の代わりに半導体光変調素子２３が誘電体基板６の主面に実装されている。
半導体光変調素子２３はレーザ光の強度を増幅する光増幅器（SOA: Semiconductor Optical Amplifier）を有している。このため、より高光出力を得ることができる。光増幅器を有する半導体光変調素子２３の全長は長尺化するが、本実施の形態では誘電体基板６の主面の実装スペースが大きいため、高コスト又は帯域劣化の要因となる誘電体基板６の構造変更は不要である。
レンズ２０及び光学素子２１は例えばＳｉＯ２などのガラスからなる。レンズ２０及び光学素子２１は、エポキシ系樹脂の接着剤などの接合材により誘電体基板６に接合される。エポキシ系樹脂を用いた場合には、接着直後に紫外線照射によって仮硬化した後、熱処理工程を経て熱硬化させることで、接合を行う。
レンズ２０は、半導体光変調素子２３から出射されたレーザ光をＺ軸正方向側に平行化又は集光化する。光学素子２１は、半導体光変調素子１０から出射されたレーザ光の一部を分離する。受光素子１３は、分離されたレーザ光を電気信号へ変換する。
従来の構造では、第２の誘電体基板を用いていたため受光素子１３を実装することが困難であった。レンズ２０、光学素子２１、及び受光素子１３を実装すると構造が複雑になり、レーザ光源装置の外径が大型化し、強度と熱分布の点で信頼性も低下していた。これに対して、本実施の形態では、従来よりも誘電体基板６への実装自由度が向上したため、レーザ光源装置の外径を大きくすることなく、誘電体基板６の主面にレンズ２０、光学素子２１、ブロック２２、受光素子１３などを実装することができる。
ブロック２２は例えばＡｌＮ基板であり、表面に互いに分離した導体２２ａ，２２ｂが設けられている。受光素子１３の裏面電極はブロック２２の導体２２ａにハンダ等で接合される。受光素子１３の表面電極は導体２２ｂに導電性ワイヤ１４ｑで接合される。この接合はレーザ光源装置の組立工程とは別の工程で組立てて半完成品としておき、この半完成品を半導体光変調素子２３などの接合と同時に誘電体基板６の主面に接合する。これにより、半完成品を製作しない場合と比較して製造難易度が低下する。誘電体基板６の主面に半完成品を接合した後、導体２２ｂをリードピン２ｆに導電性ワイヤ１４ｒにより接続する。これにより、受光素子１３でＯＥ変換された電気信号をリードピン２ｆのＺ軸負方向側へ送ることができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る半導体レーザ光源装置を示す概略図である。実施の形態１〜３の何れかの半導体レーザ光源装置の金属ステム１にレンズ付きキャップ２４が接合されている。レンズ付きキャップ２４は、金属ステム１上に実装された支持ブロック４、温度制御モジュール５、誘電体基板６、半導体光変調素子１０及び温度センサ１１等を気密封止する気密封止用キャップである。従って、耐湿性及び外乱耐性を向上することができる。レンズ付きキャップ２４のレンズは、例えばＳｉＯ２からなるガラスからなり、半導体光変調素子１０から出射されたレーザ光を略集光又は平行光化（コリメート）する。例えば、実施の形態３にレンズ付きキャップ２４を接合した場合、広がり角度が大きい半導体光変調素子２３のレーザ光をレンズ２０にて平行光化した後、レンズ付きキャップ２４にてコリメート光を集光させてファイバに入射させる。なお、実施の形態１，２はコリメートせずに直接集光させてファイバに入射させている。
図８は、実施の形態４に係る半導体レーザ光源装置を示す概略図である。実施の形態１〜３の何れかの半導体レーザ光源装置の金属ステム１にレンズ付きキャップ２４が接合されている。レンズ付きキャップ２４は、金属ステム１上に実装された支持ブロック４、温度制御モジュール５、誘電体基板６、半導体光変調素子１０及び温度センサ１１等を気密封止する気密封止用キャップである。従って、耐湿性及び外乱耐性を向上することができる。レンズ付きキャップ２４のレンズは、例えばＳｉＯ２からなるガラスからなり、半導体光変調素子１０から出射されたレーザ光を略集光又は平行光化（コリメート）する。例えば、実施の形態３にレンズ付きキャップ２４を接合した場合、広がり角度が大きい半導体光変調素子２３のレーザ光をレンズ２０にて平行光化した後、レンズ付きキャップ２４にてコリメート光を集光させてファイバに入射させる。なお、実施の形態１，２はコリメートせずに直接集光させてファイバに入射させている。
１ 金属ステム、２ａ〜２ｇ リードピン、４ 支持ブロック、５ 温度制御モジュール、５ａ 熱電素子、５ｂ 下側基板、５ｃ 上側基板、５ｄ メタライズ、６ 誘電体基板、７ａ，７ｂ 差動駆動用信号線路、８ グランド導体、１０，１５，２３ 半導体光変調素子、１１ 温度センサ、１２ セラミックブロック、１３ 受光素子、１４ａ〜１４ｒ 導電性ワイヤ、２１ 光学素子、２２ ブロック、２９ レンズ、２４ レンズ付きキャップ
Claims (12)
- 金属ステムと、
前記金属ステムを貫通する第１から第３のリードピンと、
前記金属ステムの上に設けられた支持ブロックと、
前記支持ブロックの側面に実装され、下側基板と、上側基板と、前記上側基板と前記下側基板に挟まれた複数の熱電素子とを有する温度制御モジュールと、
前記温度制御モジュールの前記上側基板に裏面が接合された誘電体基板と、
前記誘電体基板の主面に設けられた２本の差動駆動用信号線路と、
前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、
前記誘電体基板の前記主面に実装された温度センサと、
前記差動駆動用信号線路の一端と前記半導体光変調素子を接続する第１の導電性ワイヤと、
前記差動駆動用信号線路の他端と前記第１のリードピンを接続する第２の導電性ワイヤと、
前記温度センサと前記第２のリードピンを接続する第３の導電性ワイヤと、
前記温度制御モジュールと前記第３のリードピンを接続する第４の導電性ワイヤとを備え、
前記第１及び第２のリードピンは前記誘電体基板の主面側に配置され、
前記第３のリードピンは前記誘電体基板の裏面側に配置され、
前記下側基板は、前記上側基板よりも上方に突出した突出部を有し、
前記熱電素子に電力供給するためのメタライズが前記突出部に設けられ、
温度制御モジュール用導体が前記誘電体基板の前記主面から上側側面にかけて設けられ、
前記第４の導電性ワイヤは、前記誘電体基板の前記上側側面に設けられた前記温度制御モジュール用導体と前記第３のリードピンを接続する導電性ワイヤと、前記誘電体基板の前記主面に設けられた前記温度制御モジュール用導体と前記メタライズを接続する導電性ワイヤとを有することを特徴とする半導体レーザ光源装置。 - 金属ステムと、
前記金属ステムを貫通する第１から第３のリードピンと、
前記金属ステムの上に設けられた支持ブロックと、
前記支持ブロックの側面に実装され、下側基板と、上側基板と、前記上側基板と前記下側基板に挟まれた複数の熱電素子とを有する温度制御モジュールと、
前記温度制御モジュールの前記上側基板に裏面が接合された誘電体基板と、
前記誘電体基板の主面に設けられた２本の差動駆動用信号線路と、
前記誘電体基板の前記主面に実装された半導体光変調素子と、
前記誘電体基板の前記主面に実装された温度センサと、
前記差動駆動用信号線路の一端と前記半導体光変調素子を接続する第１の導電性ワイヤと、
前記差動駆動用信号線路の他端と前記第１のリードピンを接続する第２の導電性ワイヤと、
前記温度センサと前記第２のリードピンを接続する第３の導電性ワイヤと、
前記温度制御モジュールと前記第３のリードピンを接続する第４の導電性ワイヤと、
前記誘電体基板に設けられ、前記金属ステムに導電性ワイヤで直接的に接続されたグランド導体とを備え、
前記グランド導体は前記誘電体基板の主面と裏面に設けられ、それぞれ導電性ワイヤで前記金属ステムに接続されていることを特徴とする半導体レーザ光源装置。 - 前記差動駆動用信号線路の他端は、前記第２の導電性ワイヤで前記第１のリードピンに直接的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記誘電体基板の外径は前記上側基板の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記誘電体基板に実装され、導体膜が設けられたセラミックブロックを更に備え、
前記第３の導電性ワイヤは、前記導体膜と前記温度センサを接続する導電性ワイヤと、前記導体膜と前記第２のリードピンを接続する導電性ワイヤとを有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。 - 前記半導体光変調素子の変調器部は複数の電界吸収型光変調器で構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記半導体光変調素子の位相変調器部はマッハツェンダ型光変調器であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記誘電体基板の前記主面に実装され、前記半導体光変調素子から出射されたレーザ光を平行又は集光化するレンズを備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記半導体光変調素子から出射されたレーザ光の一部を電気信号へ変換する受光素子を更に備えることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記誘電体基板の前記主面に実装され、前記半導体光変調素子から出射されたレーザ光の一部を分離する光学素子と、
前記誘電体基板の前記主面に実装されたブロックを更に備え、
前記受光素子は前記ブロックの側面に実装され、前記光学素子により分離された前記レーザ光の一部を電気信号へ変換することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ光源装置。 - 前記半導体光変調素子はレーザ光の強度を増幅する光増幅器を有していることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
- 前記金属ステムには気密封止用キャップが接合されていることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の半導体レーザ光源装置。
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